3B Scientific Heat Equivalent Apparatus - Manual (Page 3)

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stand des Temperaturfühlers R
1
= 8,00 k
Ω
(ent-
sprechend T
1
= 14,60 °C nach Gl. 1).
•
Nach Kontrolle der Nullstellung des Zählers wird
der Versuch gestartet, indem die Kurbel gedreht
und dadurch das Hauptgewicht vom Boden ab-
gehoben wird. Jetzt senkt sich das Gegengewicht
auf den Boden, wodurch die Reibschnur leicht
entspannt wird und etwas weniger auf dem Zy-
linder reibt. Das Hauptgewicht hält jetzt seine
Höhe und sollte diese während des ganzen Ver-
suchs beibehalten.
•
Nach n = 460 Umdrehungen wird der Versuch
beendet und der Widerstandswert abgelesen:
R
2
= 3,99 k
Ω
(T
2
= 30,26 °C). Da die Temperatur
direkt nach Versuchsende noch kurz ansteigt
(Homogenisierung der Temperaturverteilung),
wird als Messwert der Minimalwert des Widerstan-
des notiert, der einige Sekunden nach Versuchs-
ende erreicht ist. Danach steigt der Widerstand
wieder an, da durch Wärmetausch mit der Umge-
bung die Temperatur des Zylinders fällt.
4.1.2 Versuchsauswertung
•
Arbeit W ist definiert als das Produkt von Kraft F
und Weg s
W = Fs
(2)
•
Bei der Reibung wirkt die Kraft
F = m
A
g (3)
(g ist die Erdbeschleunigung) entlang des Weges
s = F n
π
D
r
(4)
•
Einsetzen der Gln. 3 und 4 in 2 liefert:
W = m
A
gn
π
D
R
= 5,22 x 9,81
x 460 x 3,1416 x 0,04575Nm = 3386Nm (5)
•
Die im Reibzylinder gespeicherte Wärme
∆
Q er-
gibt sich aus der der Temperaturdifferenz (T
2
– T
1
)
und der in Abschnitt 2 angegebenen spezifischen
Wärmekapazität zu:
∆
Q = c
A
m
A
(T
2
– T
1
) = 0,86 x 0,249
x (30,26 – 14,60) kJ = 3353 J (6)
•
In diesem Beispiel beträgt die Abweichung zwi-
schen mechanischer Arbeit und Wärme nur etwa
1%. Durch unvermeidbare Toleranzen in der Mate-
rial-zusammensetzung (reines Aluminium ist sehr
weich und lässt sich mechanisch kaum bearbeiten,
weshalb immer Legierungen zum Einsatz kommen)
kann die spezifische Wärmekapazität jedoch merk-
lich schwanken. Sie sollte individuell für jeden Reib-
zylinder bestimmt werden. Dies ist am einfachs-
ten durch elektrische Beheizung und unter Voraus-
setzung der Äquivalenz von Wärme und elektrischer
Energie durchführbar.
4.2 Umwandlung elektrischer Energie in Wärme
4.2.1 Versuchsdurchführung
•
Nach der Abkühlung des Reibzylinders wird dieser
an den Träger geschraubt (gleiche Versuchsbedin-
gungen wie beim Reibungsversuch) und der
Temperaturfühler eingesteckt. Nach ein paar Minu-
ten, die zur homogenen Temperaturverteilung ver-
streichen sollten, beträgt der Widerstand des
Temperaturfühlers R
1
= 8,00 k
Ω
(entsprechend
T
1
= 14,60 °C nach Gl. 1).
•
Jetzt wird das vorab eingestellte Netzgerät (siehe
Abschnitt 3) an das Heizelement angeschlossen
und eine Stoppuhr gestartet. Spannung und Strom
(Anzeige am Netzgerät) werden notiert:
U = 11,0 V ,
Ι
= 0,510 A
•
Nach t = 600 s wird der Versuch beendet und der
Widerstandswert abgelesen:
R
2
= 3,98 k
Ω
(T
2
= 30,32 °C).
4.2.2 Versuchsauswertung
•
Die elektrische Energie E ist das Produkt aus Leis-
tung P und Zeit t. Die Leistung wiederum ist das
Produkt aus Spannung und Strom. Demnach gilt:
E U T = = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379Ws I (7)
•
In diesem Versuch beträgt die zugeführte Wärme
∆
Q = c
A
m
A
(T
2
– T
1
) = 0,86 x 0,249
x (30,32 – 14,60) kJ = 3366 J (8)
•
Auch hier ist die Übereinstimmung zwischen E und
∆
Q sehr gut.
R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C
7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10
7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24
7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38
7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51
7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65
7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79
7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93
7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07
7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22
7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36
Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur beim Temperaturfühler